基于多状态故障的卫星姿态控制系统剩余寿命预测方法

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1、基于多状态故障的卫星姿态控制系统剩余寿命预测方法摘要：针对具体的卫星姿态控制系统配置，在对系统可重构性分析的基础上，考虑系统的多状态故障，详细分析系统可能发生的功能模块故障类型，并按故障等级对系统进行故障状态划分；针对系统故障状态间存在的转移关系，通过Kaplan-Meier估计器和极大似然估计方法对故障状态间转移概率模型进行估计，在此基础上建立系统的Petri网预测模型，并根据蒙特卡洛思想对模型进行大量仿真，从而实现对卫星姿态控制系统剩余寿命的离线预测和在线预测。仿真结果验证了该方法的合理性。关键词：卫星姿态控制系统；系统

2、寿命预测；多故障状态；可重构性中图分类号：V448文献标志码：A文章编号：1005-261501-0029-08随着科学技术的发展，卫星已经在深空探测、国防军事、通信、气象、地质勘探以及生态研究等各领域起着不可替代的作用。卫星在恶劣环境下长期运行过程中，其元器件逐渐老化，剩余寿命降低，系统性能下降.故障率上升，甚至容易发生恶性事故。为保证在轨卫星安全可靠运行，需要对其在轨运行健康状态进行分析和研究。国内外科研人员对卫星的寿命预测技术己进行了多年的研究，取得了重要的研宄成果。现有成果大多集中于针对卫星关键部件的寿命预测技术，主

3、要的寿命预测方法包括3类：失效物理方法，数据驱动方法，基于概率的方法。而针对卫星整个系统或子系统层面的寿命预测方法的研究成果却很少。卫星是一个结构复杂、功能多样的系统，现有的针对卫星关键部件的寿命预测方法并不能完全适用于卫星系统或子系统的寿命预测，需以部件级研究为基础.对卫星系统级的寿命预测方法进行深入研究。在航天器领域，针对系统寿命预测的研宄相对较少，但是在其他领域已经有了一些进展。如，刘剑慰等针对飞控计算机系统，提出一种利用飞控计算机历史可靠性、工作状态等数据预测飞控计算机系统剩余寿命的方法；在无线传感器网络领域，李捷等

4、提出了一种基于单个节点稳态能耗速率时间序列ARMA模型，可应用于无线传感器网络系统进行寿命预测；在工业领域，Zhou等基于高斯模型，提出了一种退化状态空间模型，对工业资产的剩余寿命预测方法进行了研究；在机电系统方面.He等基于改进灰色预测模型，对液压泵的剩余寿命预测方法进行了研宄，解决了常规的缺陷预测模型精度较低的问题。本文以卫星姿态控制系统为研究对象，针对某具体的卫星姿态控制配置，在系统可重构性分析的基础上.充分考虑系统结构和多状态故障对系统剩余寿命的影响，建立系统的Petri网模型，实现对整个卫星姿态控制系统剩余寿命的离

5、线预测和在线预测。1卫星姿态控制系统可重构性本文剩余寿命预测研究的对象是可重构卫星姿态控制系统.可重构性是系统的一个重要性质，可以表征系统的冗余度以及容错能力，对系统的剩余寿命有着重要的影响，本节介绍了卫星姿态控制系统的线性化模型以及可重构性的概念和判据。1.1系统线性化模型由于考虑挠性体对卫星运动的影响等将增加可重构性分析难度，本文暂不考虑对非线性系统进行分析，因而取主惯量轴为本体坐标系，考虑卫星姿态在工作点附近小范围变化的情况时，结合卫星的姿态动力学和运动学方程，得到卫星的线性化姿态动力学方程为。1.2系统可重构性可重构

6、性是在一定的能量约束条件下，控制系统在故障后通过应用主动或被动容错控制策略仍然保持可控、可观测性的能力。可重构性反映了系统在故障情况下完成系统任务的能力，考虑系统的故障就不可避免地要研究系统的可重构性，而卫星姿态控制系统的剩余寿命与系统故障具有很大的关系，所以研究系统的可重构性对卫星姿态控制系统的剩余寿命预测方法研宄具有重要的作用和意义。卫星姿态控制系统的最小重构单元是功能模块，本文在功能模块故障的基础上，分析系统的可重构性，为后面的系统故障状态划分以及系统预测模型的建立奠定基础。下面分别对执行机构和传感器机构的可重构性进行

7、分析：当执行机构的功能模块发生故障时.系统线性模型的参数矩阵B的值会发生改变，从而会影响到系统的可控性，即影响到系统的可重构性。根据系统可重构性的定义，在执行机构功能模块故障情况下，如果系统能够保持可控性.则系统呵实现在线重构，称该系统具有呵重构性；反之，该系统不具有可重构性。当传感器机构的功能模块发生故障时，系统线性模型的参数矩阵C的值会发生改变，从而影响到系统的可观性，即影响到系统的可重构性。根据系统可重构性的定义，在传感器机构功能模块故障情况下，如果系统能够保持可观性，则系统可实现住线重构.称该系统具有可重构性；反之，

8、该系统不具有可重构性。2系统剩余寿命预测方法影响卫星姿态控制系统剩余寿命的因素很多，如系统组成、系统故障以及空间环境等。本文着重研究系统组成结构以及系统故障对系统剩余寿命的影响，提出故障状态的概念，分析系统可能发生的功能模块故障类型以及系统的可重构性，根据故障的严重程度对系统进行故障状态划